RU2480582C1 - Method to transfer information from well along electromagnetic communication channel and device for its realisation - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method to transfer information from a well consists in the following: using a surface generator, electrical current is excited in a string of metal pipes, which generates electromagnetic field spreading in the rock of the well, which reaches the bottomhole area and creates the difference of potentials between the metal string and its isolated part. Receipt of information from the bottomhole is carried out depending on modulation of the voltage value required for stabilisation of the surface generator DC. The surface generator is a source of a stabilised DC. Besides, the surface generator is connected with one clamp to a surface part of the pipe string, and by the other one - to a grounded electrode that is remote from the well head. At the same time for transfer of information from the bottomhole the lower and upper parts of the string are closed or opened, changing the efficient value of conductivity between the grounding electrode of the current source and the metal string. When the key is closed, the specified efficient conductivity increases, and voltage on the current source clamps reduces and is recorded by a recording unit. By variation of the measured voltage the parameters of the drilled bed are decided.

EFFECT: increased reliability of information transfer from a bottomhole and expansion of its application area.

2 cl, 1 dwg

Description

Предполагаемое изобретение относится к области передачи информации из скважины, например, каротажа в процессе бурения скважин и предназначено для передачи сигналов измерения из скважины на поверхность по электромагнитному каналу связи.The alleged invention relates to the field of transmission of information from a well, for example, logging during drilling, and is intended to transmit measurement signals from the well to the surface via an electromagnetic communication channel.

Известен способ создания электромагнитного канала связи, заключающийся в возбуждении электрического тока в колонне металлических труб, разделенной диэлектрической вставкой, и регистрации на поверхности наводимой разности потенциалов между колонной бурильных труб и удаленной точкой от устья скважины. При этом наводимый потенциал модулирован соответствующим образом кодированным сигналом (информацией), а необходимая для возбуждения тока энергия генерируется на забое при помощи забойного генератора, отбирающего часть мощности потока промывочной жидкости, создаваемого буровым насосом (А.А.Молчанов, Г.С.Абрамов. Бескабельные системы для исследований нефтегазовых скважин (теория и практика). / Под общей редакцией А.А.Молчанова. - Москва, ОАО «ВНИИОЭНГ», 2003).A known method of creating an electromagnetic communication channel, which consists in the excitation of an electric current in a column of metal pipes separated by a dielectric insert, and registration on the surface of the induced potential difference between the drill pipe string and a remote point from the wellhead. In this case, the induced potential is modulated by an appropriately encoded signal (information), and the energy needed to excite the current is generated at the bottom using a downhole generator that selects part of the power of the flushing fluid flow generated by the mud pump (A.A. Molchanov, G.S. Abramov. Cordless systems for researching oil and gas wells (theory and practice). / Under the general editorship of A.A. Molchanov. - Moscow, VNIIOENG OJSC, 2003).

Недостатками способа являются неустойчивость величины сигнала, связанная с изменяющимися условиями прохождения токов в грунтах и ограниченной мощностью забойного генератора, а также невозможность использования беззабойного (скважинного) источника энергии, что ограничивает область применения системы.The disadvantages of the method are the instability of the signal value associated with changing conditions for the passage of currents in soils and the limited power of the downhole generator, as well as the inability to use a bottom-hole (downhole) energy source, which limits the scope of the system.

Известен способ приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность (Пат. РФ №2273732, приор. 21.05.2004, публ. 10.04.2006).A known method of receiving / transmitting geophysical information while drilling through a wireless electromagnetic communication channel from the bottom to the surface (Pat. RF No. 2273732, prior. 21.05.2004, publ. 10.04.2006).

В известном способе модулируют напряжение генерирующего сигнала на дневной поверхности путем подключения полюсов наземного генератора соответственно к колонне бурильных труб и удаленной точке от устья скважины, и на забое электрическим диполем осуществляют прием сигнала наземного генератора. Выделяют тактовую частоту наземного генератора и синхронно с ней коммутируют закодированным сообщением электрический диполь на забое. На устье скважины измеряют ток генерации путем выделения пульсаций с помощью синхронного детектирования. По измеренной на устье величине пульсаций тока, вызванных коммутацией электрического диполя на забое, судят о геофизических параметрах разбуриваемого пласта на дневной поверхности. Частоту наземного генератора на дневной поверхности изменяют для наилучшего условия приема сигнала на забое.In the known method, the voltage of the generating signal on the surface is modulated by connecting the poles of the ground generator, respectively, to the drill pipe string and a remote point from the wellhead, and the signal from the ground generator is received at the bottom by an electric dipole. The clock frequency of the ground generator is isolated and an electric dipole at the bottom is switched synchronously with it by a coded message. At the wellhead, the generation current is measured by isolating ripples using synchronous detection. The current ripples measured at the mouth, caused by commutation of the electric dipole at the bottom, are used to judge the geophysical parameters of the drilled formation on the surface. The frequency of the ground generator on the day surface is changed for the best condition for receiving the signal at the bottom.

Недостаток данного способа заключается в том, что он предполагает наличие в электрическом диполе приемника сигнала от наземного генератора, определяющего частоту, с которой электрический диполь должен коммутироваться, при этом сигнал может пропадать (в соляных пропластках) и искажаться при прохождении слабо проводящих пластов, и надежность связи падает. Кроме того, это усложняет конструкцию электрического диполя.The disadvantage of this method is that it assumes the presence in the electric dipole of the receiver of the signal from the ground generator, which determines the frequency with which the electric dipole should be switched, while the signal may disappear (in salt interlayers) and be distorted when passing through weakly conducting layers, and reliability Communication drops. In addition, this complicates the design of the electric dipole.

Задачей группы изобретений является повышение надежности передачи информации с забоя по электромагнитному каналу связи и расширение области его применения.The task of the group of inventions is to increase the reliability of the transmission of information from the face through the electromagnetic communication channel and expand the scope of its application.

Указанная задача решается тем, что в способе передачи информации из скважины по электромагнитному каналу связи, включающему возбуждение электрического тока в колонне металлических труб в скважине при помощи наземного генератора, подключенного одним контактом к наземной части металлической колонны, а другим контактом - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, коммутацию диэлектрической вставки и получение информации с забоя скважины в зависимости от пульсаций, вызванных коммутацией диэлектрической вставки, в отличие от известного способа, в качестве наземного генератора используют источник постоянного тока, стабилизированного по величине, а получение информации с забоя скважины осуществляют в зависимости от модуляции величины напряжения, необходимого для стабилизации постоянного тока наземного генератора (источника стабилизированного тока) при изменении эффективного значения сопротивления металлической колонны, вызванного коммутацией диэлектрической вставки.This problem is solved by the fact that in the method of transmitting information from the well through an electromagnetic communication channel, including the excitation of electric current in a column of metal pipes in the well using a ground generator connected with one contact to the ground part of the metal column, and the other contact to the remote from the wellhead grounding electrode, switching the dielectric insert and receiving information from the bottom of the well depending on the pulsations caused by the switching of the dielectric insert, unlike of the known method, a constant current source of stabilized magnitude is used as a ground generator, and information from the bottom of the well is obtained depending on the modulation of the voltage required to stabilize the direct current of the ground generator (stabilized current source) when the effective value of the resistance of the metal column changes, caused by commutation of the dielectric insert.

Заявляется устройство для реализации способа, содержащее наземный генератор, подключенный одним зажимом к наземной части металлической колонны, а другим зажимом - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, диэлектрическую вставку, разделяющую металлическую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части, ключ для размыкания и замыкания контактов верхней и нижней частей металлической колонны, в котором в качестве наземного генератора использован источник стабилизированного постоянного тока, а между указанными зажимами установлен блок регистрации изменения напряжения этого тока.A device for implementing the method is claimed, comprising a ground generator connected with one clamp to the ground part of a metal column and another clamp to a ground electrode remote from the wellhead, a dielectric insert separating the metal column in the well into upper and lower parts, a key for opening and closing contacts of the upper and lower parts of the metal column, in which a stabilized direct current source is used as the ground generator, and between these clamps detecting changes in the recording unit of this voltage.

Суть способа. На поверхности с помощью источника стабилизированного тока, подключенного одним контактом (зажимом) к наземной части металлической колонны, а другим контактом (зажимом) - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, в скважину подают постоянный ток, стабилизированный по величине, который, проходя по металлической колонне, разделенной диэлектрической вставкой, генерирует электромагнитное поле, которое, распространяясь по породе в скважине, достигает призабойной зоны и создает разность потенциалов между металлической колонной и изолированной ее частью.The essence of the method. On the surface, using a stabilized current source connected with one contact (clamp) to the ground part of the metal column, and with another contact (clamp) to the ground electrode remote from the wellhead, a constant current is supplied to the well, which is stabilized in magnitude, which, passing through the metal the column, separated by a dielectric insert, generates an electromagnetic field, which, propagating through the rock in the well, reaches the bottomhole zone and creates a potential difference between the metal column and its isolated part.

Для передачи сообщения с забоя по электромагнитному каналу замыкают или размыкают (коммутируют) ключом нижнюю и верхнюю части металлической колонны, изменяя эффективное значение проводимости между заземляющим электродом источника стабилизированного тока и металлической колонной. При замыкании ключа указанная эффективная проводимость возрастает, а напряжение на зажимах источника стабилизированного тока падает и регистрируется блоком регистрации, например дифференциальным вольтметром. По изменению измеренного напряжения судят о параметрах разбуриваемого пласта. Длительность и последовательность замыканий ключа определяется модулем шифрования скважинного блока измерений (не показано ввиду общеизвестности). Таким образом, полезным сигналом служит изменение напряжения на зажимах источника тока, который поддерживает постоянный по величине (стабилизированный) ток, величина которого определяется условиями передачи - электропроводностью пласта.To transmit messages from the bottom through the electromagnetic channel, the lower and upper parts of the metal column are closed or opened (switched) with a key, changing the effective value of the conductivity between the ground electrode of the stabilized current source and the metal column. When the key is closed, the indicated effective conductivity increases, and the voltage at the terminals of the stabilized current source drops and is recorded by a registration unit, for example, a differential voltmeter. By changing the measured voltage, the parameters of the drilling formation are judged. The duration and sequence of key closures is determined by the encryption module of the downhole measurement unit (not shown due to common knowledge). Thus, a useful signal is the change in voltage at the terminals of the current source, which maintains a constant (stabilized) current in magnitude, the value of which is determined by the transmission conditions — the formation’s electrical conductivity.

При этом изменение (модуляция) величины напряжения ΔV на зажимах наземного генератора вычисляют по формуле:In this case, the change (modulation) of the voltage ΔV at the terminals of the ground generator is calculated by the formula:

где G - эффективное значение проводимости между заземляющим электродом источника стабилизированного тока и металлической колонной определяется по формуле:where G is the effective value of the conductivity between the ground electrode of the stabilized current source and the metal column is determined by the formula:

иand

где A=ln(D2/D1),where A = ln (D2 / D1),

ΔG - изменение эффективного значения проводимости между заземляющим электродом источника стабилизированного тока и металлической колонной,ΔG is the change in the effective value of the conductivity between the ground electrode of the stabilized current source and the metal column,

α, dα - углы, соответствующие разомкнутому и замкнутому состоянию диэлектрической вставки (см. чертеж),α, dα - angles corresponding to the open and closed state of the dielectric insert (see drawing),

ρ - сопротивление горных пород, Ом·м,ρ - rock resistance, Ohm · m,

D1 - расстояние между металлической колонной и заземляющим электродом, м,D1 is the distance between the metal column and the ground electrode, m,

D2 - диаметр заземляющего электрода, м,D2 - diameter of the grounding electrode, m,

С - экспериментальный коэффициент, м.C is the experimental coefficient, m

Значение С определяется в результате «подбора» величины напряжения для оптимального значения стабилизированного тока, измеряется в метрах и играет вспомогательную роль, т.к. ΔG является не расчетной, а измеряемой величиной. В формулах 1, 2, 3, приведенных выше, учитываются расстояние между металлической колонной до заземляющего электрода, диаметр заземляющего электрода, толщина диэлектрической вставки, длины верхней и нижней частей металлической колонны, измеряемых в метрах. Учет этих параметров позволяет повысить точность измерений.The value of C is determined as a result of the “selection” of the voltage value for the optimal value of the stabilized current, it is measured in meters and plays an auxiliary role, because ΔG is not a calculated, but a measurable quantity. In the formulas 1, 2, 3 above, the distance between the metal column to the ground electrode, the diameter of the ground electrode, the thickness of the dielectric insert, the lengths of the upper and lower parts of the metal column, measured in meters, are taken into account. Taking these parameters into account improves the accuracy of measurements.

Реализация способа может быть осуществлена устройством, представленным на чертеже.The implementation of the method can be carried out by the device shown in the drawing.

Устройство содержит источник стабилизированного тока 1, подключенный одним контактом 2 к наземной части металлической колонны 3, а другим контактом - к удаленному от устья скважины на расстоянии D1 заземляющему электроду 4 с диаметром D2. Между указанными контактами (зажимы) установлен блок регистрации изменения напряжения, например дифференциальный вольтметр 5. Металлическая колонна 3 в скважине разделена диэлектрической вставкой 6 на верхнюю часть с длиной L1 и нижнюю часть с длиной L2, контакты которых 7 и 8, соответственно, замыкаются/размыкаются ключом 9. Поз. 10 - верхний контакт между верхней частью металлической колонны 3 и землей, поз.11 - нижний контакт между нижней частью металлической колонны 3 и землей. L3 - толщина диэлектрической вставки 6. α, dα - углы, соответствующие разомкнутому и замкнутому контурам диэлектрической вставки 6.The device contains a stabilized current source 1, connected by one contact 2 to the ground part of the metal column 3, and by the other contact to a grounding electrode 4 with a diameter D2 remote from the wellhead at a distance D1. A voltage change recording unit, for example, a differential voltmeter 5, is installed between the indicated contacts (clamps). The metal column 3 in the well is divided by a dielectric insert 6 into an upper part with a length L1 and a lower part with a length L2, the contacts of which 7 and 8, respectively, open / close key 9. Pos. 10 - the upper contact between the upper part of the metal column 3 and the ground, item 11 - the lower contact between the lower part of the metal column 3 and the ground. L3 is the thickness of the dielectric insert 6. α, dα are the angles corresponding to the open and closed contours of the dielectric insert 6.

Наземный генератор 1 вырабатывает постоянный стабилизированный по величине ток, который, проходя по металлической колонне 3, разделенной диэлектрической вставкой 6, генерирует электромагнитное поле, которое, распространяясь по породе в скважине, достигает призабойной зоны и создает разность потенциалов между металлической колонной 3 и изолированной ее частью длиной L2.The ground generator 1 generates a constant constant current in magnitude, which, passing through a metal column 3, separated by a dielectric insert 6, generates an electromagnetic field, which, propagating through the rock in the well, reaches the bottomhole zone and creates a potential difference between the metal column 3 and its isolated part length L2.

При замыкании ключа 9 эффективная проводимость G возрастает и напряжение источника стабилизированного тока падает, что и регистрируется дифференциальным вольтметром 5, подключенным к зажимам указанного источника тока. При этом изменение разности потенциалов оказывается модулированным соответствующим образом кодированным сигналом (информацией).When the key 9 is closed, the effective conductivity G increases and the voltage of the stabilized current source drops, which is recorded by the differential voltmeter 5 connected to the terminals of the specified current source. In this case, the change in the potential difference is modulated accordingly encoded signal (information).

Claims (2)

1. Способ передачи информации из скважины по электромагнитному каналу связи, включающий возбуждение электрического тока в колонне металлических труб в скважине при помощи наземного генератора, подключенного одним зажимом к наземной части металлической колонны, а другим зажимом - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, коммутацию диэлектрической вставки и получение информации с забоя скважины в зависимости от пульсаций, вызванных коммутацией диэлектрической вставки, отличающийся тем, что в качестве наземного генератора используют источник постоянного тока, стабилизированного по величине, а получение информации с забоя скважины осуществляют в зависимости от модуляции величины напряжения, необходимого для стабилизации постоянного тока наземного генератора - источника стабилизированного тока при изменении эффективного значения сопротивления металлической колонны, вызванного коммутацией диэлектрической вставки.1. A method of transmitting information from a well through an electromagnetic communication channel, including the excitation of an electric current in a column of metal pipes in a well using a ground generator connected with one clamp to the ground part of the metal column, and with the other clamp to a ground electrode remote from the wellhead, switching dielectric inserts and receiving information from the bottom of the well depending on the pulsations caused by switching the dielectric insert, characterized in that as a ground generator they use a constant-current constant-current source, and obtaining information from the bottom of the well is carried out depending on the modulation of the voltage required to stabilize the direct current of a ground-based generator, which is a stabilized current source when the effective value of the resistance of the metal column changes due to switching of the dielectric insert. 2. Устройство для передачи информации из скважины по электромагнитному каналу связи, содержащее наземный генератор, подключенный одним зажимом к наземной части металлической колонны, а другим зажимом - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, диэлектрическую вставку, разделяющую металлическую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части, ключ для размыкания и замыкания контактов верхней и нижней частей металлической колонны, отличающееся тем, что в качестве наземного генератора использован источник стабилизированного постоянного тока, а между указанными зажимами установлен блок регистрации изменения напряжения этого тока. 2. A device for transmitting information from a well through an electromagnetic communication channel, comprising a ground generator connected with one clamp to the ground of a metal column, and with another clamp to a ground electrode remote from the wellhead, a dielectric insert separating the metal column in the well into upper and lower parts, a key for opening and closing the contacts of the upper and lower parts of the metal column, characterized in that a source of stabilized by constant current, and between the indicated clamps, a unit for registering the voltage change of this current is installed.

Images